謝 美

(江蘇省宜興中等專業(yè)學(xué)校，江蘇宜興214206)

地震是一種危害極大的隨機(jī)性的自然災(zāi)害，人類在長(zhǎng)期抗?fàn)幍臍v史過(guò)程中不斷的總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)考慮彈塑性設(shè)計(jì)方法，采用增加強(qiáng)度的方法來(lái)抵御地震，在地震作用下結(jié)構(gòu)本身可以發(fā)生破壞，但是不至于倒塌，以達(dá)到“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設(shè)計(jì)理念。然而地震加速度是沿著結(jié)構(gòu)的高度呈三角形狀增大，在地震荷載的作用下，通過(guò)采用增加強(qiáng)度的方法，結(jié)構(gòu)本身可以有效地防止破壞，但是在加速度的影響下，結(jié)構(gòu)空間內(nèi)部的設(shè)備可能遭到損壞。

目前國(guó)內(nèi)外普遍采用傳統(tǒng)的抗震技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了新的設(shè)計(jì)理念——結(jié)構(gòu)控制理論，基礎(chǔ)隔震就是結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制理論中一種。

所謂的基礎(chǔ)隔震，就是在建筑物的上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)頂面之間設(shè)置一層可靠的隔震層，使上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)分離，地震時(shí)基礎(chǔ)可以有很大的運(yùn)動(dòng)，但隔震裝置的變形阻隔地震波的向上部結(jié)構(gòu)的傳播，結(jié)構(gòu)可以有相對(duì)較小的運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力變形也大大減小，從而保護(hù)結(jié)構(gòu)免遭地震的破壞。

1 基礎(chǔ)隔震技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀

基礎(chǔ)隔震技術(shù)的早期階段，基礎(chǔ)隔震概念最早是由日本學(xué)者河合浩藏于1881年提出的，他認(rèn)為先在地基上縱橫交錯(cuò)放置幾層圓木，圓木上做混凝土基礎(chǔ), 再在混凝土基礎(chǔ)上蓋房，以削弱地震傳遞的能量。1909年，美國(guó)的J·A·卡蘭特倫茨提出了另外一種隔震方案，即在基礎(chǔ)與上部建筑物之間鋪一層滑石或云母，這樣地震時(shí)建筑物會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，以達(dá)到隔離地震的目的。1921年，美國(guó)工程師F·L·萊特在設(shè)計(jì)日本東京帝國(guó)飯店時(shí)，有意用密集的短樁穿過(guò)表層硬土，直接插到軟泥土層底部，利用軟泥土層作為隔震層。1923年關(guān)東大地震發(fā)生，附近同類建筑毀壞嚴(yán)重，但這個(gè)建筑卻保持完好。1924年，日本的“鬼頭”健三郎提出了在建筑物的柱腳與基礎(chǔ)之間插入軸承的隔震方案。1927年，日本的中村太郎論述了加裝阻尼器吸能裝置，在隔震理論方面進(jìn)行了有益的探索。在這一階段，雖然有了清晰的隔震概念和一定的隔震理論基礎(chǔ)，但限于當(dāng)時(shí)的水平與條件，基礎(chǔ)隔震技術(shù)的應(yīng)用未被很好地研究與開發(fā)。

隨著地震工程理論的逐步建立以及實(shí)際地震對(duì)結(jié)構(gòu)工程的進(jìn)一步考驗(yàn)，特別是近二三十年來(lái)，由于采用大量的強(qiáng)震記錄儀對(duì)地震進(jìn)行觀測(cè)，使人們較快地積累了有關(guān)隔震及非隔震結(jié)構(gòu)工作性能的定量化經(jīng)驗(yàn)，從而對(duì)早期提出的一些隔震方法進(jìn)行了淘汰與升華。其中疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系被認(rèn)為是隔震技術(shù)邁向?qū)嵱没钭坑谐尚У捏w系。

現(xiàn)在，我國(guó)已建造了40余幢各類基礎(chǔ)隔震體系的建筑砂墊層滑移摩擦體系、石墨砂漿滑移體系、懸掛隔震結(jié)構(gòu)體系等，其中絕大多數(shù)采用的是粘結(jié)型疊層橡膠墊隔震體系。

2 基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的隔震機(jī)理

圖1 單點(diǎn)結(jié)構(gòu)動(dòng)力模型

式中：Ra為質(zhì)點(diǎn)的地震加速度反應(yīng)與地面地震加速度之比。令ψ=ω/ωn，可以作出Ra和ψ之間的關(guān)系圖，如圖2示。

圖2 Ra和頻率比之間的關(guān)系

從圖中可以看出, 圖中8條曲線有一個(gè)交點(diǎn), 對(duì)應(yīng)的點(diǎn)是Ra=1,ω/ωn=1.4142。

(1)當(dāng)ω/ωn>1.414 2時(shí)，Ra<1。阻尼比對(duì)結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)影響比較小，同時(shí)ω/ωn越大，Ra越小。

(2)當(dāng)ω/ωn<1.414 2時(shí)，Ra>1。阻尼比對(duì)結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)影響比較大，結(jié)構(gòu)的地震加速度反應(yīng)被放大。一般的建筑結(jié)構(gòu)處于這個(gè)范圍內(nèi)。

(3)當(dāng)ω/ωn趨近于1.0時(shí)，Ra≥1。結(jié)構(gòu)與場(chǎng)地共振。地震反應(yīng)可達(dá)到很大值，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞或倒塌。

(4)ξ越小，結(jié)構(gòu)的地震加速度反應(yīng)越大。

這款機(jī)械手能夠精準(zhǔn)地識(shí)別炸藥條的位置并對(duì)它進(jìn)行準(zhǔn)確的分揀，關(guān)鍵是靠安裝在系統(tǒng)前端的兩個(gè)獨(dú)立攝像頭來(lái)進(jìn)行識(shí)別，通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)兩個(gè)攝像頭所采集的信息進(jìn)行處理，在三維空間對(duì)產(chǎn)品的坐標(biāo)進(jìn)行定位，然后將數(shù)據(jù)送至PLC控制機(jī)構(gòu)。當(dāng)PLC接收到兩個(gè)攝像頭送來(lái)的輸入信號(hào)后，根據(jù)定位信息，判斷工件位置，然后發(fā)出指令，控制命令首先到達(dá)PLC的輸出單元，然后由輸出單元直接將控制命令送至步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，再由步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)按照命令程序來(lái)動(dòng)作，從而準(zhǔn)確的抓取工件，并將其放至合適的位置。

圖3 基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)

3 基礎(chǔ)隔震體系分類

3.1 滾子(珠)隔震體系

滾軸隔震裝置是1966年日本人松下清夫提出的一項(xiàng)專利，該裝置是在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置上、下兩層彼此垂直的滾軸，滾軸在橢圓形的弧溝槽內(nèi)滾動(dòng)，因而該裝置具有自動(dòng)復(fù)位的能力。墨西哥工程師弗洛利斯設(shè)計(jì)了一種滾球裝置，已安裝在墨西哥城的一幢五層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的教學(xué)樓的柱腳處，隔震器由兩層直徑500 mm的鋼盤構(gòu)成，中間裝置100～400個(gè)直徑為0.97 cm 的鋼珠，油盤潤(rùn)滑，外套密封塑料防塵罩，允許位移可達(dá)12 cm(圖4)。蘇聯(lián)克里米亞的塞瓦斯托波爾也建成一幢以橢圓形鋼球?yàn)橹С械母粽鹪囼?yàn)樓，7層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，自振周期為3 s，比按傳統(tǒng)作法的結(jié)構(gòu)提高6倍，已經(jīng)受了1977年的地震考驗(yàn)。

圖4 滾子(珠)隔震體系

3.2 懸吊式隔震體系

1959年，蘇聯(lián)在阿什哈德建成了世界上第一幢采用基礎(chǔ)懸吊隔震的3層磚混樓房。整個(gè)建筑物的基礎(chǔ)，用鋼桿懸吊在地下室框架的橫梁上。該樓房經(jīng)過(guò)1966年塔什干地震考驗(yàn)，居民甚至感覺不到震感，該樓房可在10度地震作用下保證安全。法國(guó)有一棟學(xué)生宿舍，每三層做為一個(gè)單元，懸掛在3個(gè)巨大的門式鋼架上，這種做法可以降低動(dòng)力反應(yīng)2～3.5倍。西德慕尼黑BMW公司辦公大樓共19層，高度96 m，全部體系通過(guò)四根直徑90 cm的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土吊桿，懸掛在鋼筋混凝土內(nèi)筒之上。我國(guó)唐山陡河電站兩臺(tái)400 t/h鍋爐，也是懸掛在多層鋼筋混凝土框架上的。唐山地震后，框架結(jié)構(gòu)本身震害很輕，僅需簡(jiǎn)單修復(fù)即可使用，而其他非懸吊設(shè)備的框架毀壞嚴(yán)重。

3.3 彈性支承式隔震體系

在結(jié)構(gòu)物底部安裝橡膠墊塊的作法，最早是以防震為目的的。1964年,英國(guó)倫敦譫姆期公園建成了一幢用橡膠墊防振的公寓樓，以期減輕附近地鐵造成的振動(dòng)影響。所用橡膠塊厚20～30 cm，實(shí)測(cè)表明，在3～30 Hz范圍內(nèi)，它使樓房的振動(dòng)反應(yīng)降到不設(shè)膠墊時(shí)的1/3～1/5。伯明翰彩色電視播音室的墻底，也安裝了厚2.5 cm的橡膠石棉墊塊，以減輕附近火車站和公路車輛重量的影響。

4 基礎(chǔ)隔震新技術(shù)：疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系

橡膠支座隔震是通過(guò)增加橡膠支座，使整個(gè)結(jié)構(gòu)的自震周期延長(zhǎng)，以減輕上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。一般在建筑物的底部設(shè)置橡膠支座，利用橡膠的水平柔性形成一道柔性的隔層，并減少能量的向上傳播，不僅可以保證了結(jié)構(gòu)的整體安全，并可以有效的防止建筑物的內(nèi)部裝修、室內(nèi)設(shè)備的損壞和由此引發(fā)的次生災(zāi)害。

疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系的隔震層是由若干個(gè)隔震器所組成。隔震器包括疊層橡膠墊和阻尼器，分普通疊層橡膠墊、鉛芯橡膠墊和高阻尼橡膠墊。這種隔震體系的周期長(zhǎng)、阻尼比大，隔震效果明顯。尤其采用后兩種隔震器，不需再另外附加阻尼器，在諸多的抗震試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震有以下的優(yōu)勢(shì)：

(1)該體系的豎向承載力大，一般單個(gè)的隔震器豎向承載力設(shè)計(jì)值可達(dá)數(shù)千，極限承載可以達(dá)到上萬(wàn)噸以上。

(2)該體系的隔震層具有穩(wěn)定的彈性復(fù)位功能，能在多次地震中自動(dòng)瞬時(shí)復(fù)位。這是摩擦滑移隔震。

(4)隔震器的耐久性好，抗低周疲勞性能、抗熱空氣老化、抗臭氧老化、耐酸性、耐水性均較好。通過(guò)對(duì)產(chǎn)品試件的各類性能測(cè)試，其使用壽命在60～80年。最近日本曾將一幢使用了10年之久的疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震樓中的隔震器更換下來(lái)進(jìn)行各類性能測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其各類指標(biāo)與10年前相比，幾乎沒(méi)有什么變化。

盡管疊層橡膠墊隔震結(jié)構(gòu)有諸多明顯的優(yōu)點(diǎn)，但在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該體系在動(dòng)力性能方面要求相當(dāng)嚴(yán)格，不論從設(shè)計(jì)還是到施工，都與傳統(tǒng)的非隔震結(jié)構(gòu)有很大的區(qū)別。為了保證分析與計(jì)算結(jié)果的可靠性，分別采用4條途徑分析了不同類型的四種結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)：

(1)疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，不但隨結(jié)構(gòu)體系的類型不同而變化，而且與隔震器安裝位置的不同也有很大關(guān)系。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)不但要對(duì)其進(jìn)行專門的概念設(shè)計(jì)，而且應(yīng)從多角度進(jìn)行動(dòng)力分析，合理、準(zhǔn)確地把握其動(dòng)力響應(yīng)，才能保證做出安全、可靠的設(shè)計(jì)。

(2)疊層橡膠墊基礎(chǔ)隔震體系的隔震層對(duì)施工的要求是比較嚴(yán)格的。隔震層的位移不能受任何原因的干擾和約束，施工時(shí)不能損傷隔震器及其附件，并要求隔震器安置有較高的水平，以確保地震時(shí)隔震層能發(fā)生水平位移并瞬時(shí)復(fù)位。

(3)由于疊層橡膠墊隔震體系具有豎向承載力大、彈性復(fù)位功能強(qiáng)、隔震效果明顯等性能優(yōu)勢(shì)，因此在設(shè)計(jì)中，對(duì)傳統(tǒng)樓房的高度限值和安全距離等限制條件均可適當(dāng)放寬。

5 工程應(yīng)用實(shí)例分析

1992年2月2日日本東京灣地震,震級(jí)5.9，東京離震中23 km，震度5度(相當(dāng)于我國(guó)烈度7度左右)。離震中58 km外兩幢同樣結(jié)構(gòu)的三層鋼筋混凝土住宅，一幢基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)(夾層橡膠墊隔震)，一幢非隔震結(jié)構(gòu)(傳統(tǒng)結(jié)構(gòu))。地震記錄分析：隔震結(jié)構(gòu)的水平加速度反應(yīng)(即結(jié)構(gòu)總水平地震作用值)為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的1/5～1/4；層間地震剪切作用值為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的1/16；豎向震動(dòng)加速度反應(yīng)僅為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的69 %；傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的振型為從下至上不斷增大的“放大型”,而隔震結(jié)構(gòu)的振型為“整體平動(dòng)型”。

而對(duì)于日本板神大地震中，西部郵政大樓地震記錄的分析和松村研究所兩幢對(duì)比樓地震記錄的分析;美國(guó)北嶺地震中南加州大學(xué)醫(yī)院大樓地震記錄的分析以及經(jīng)受中國(guó)臺(tái)灣海峽地震考驗(yàn)的汕頭隔震樓的分析等都得出相一致的結(jié)論:隔震結(jié)構(gòu)可以明顯有效地減輕結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而能非常有效地保護(hù)結(jié)構(gòu)物及內(nèi)部設(shè)備在強(qiáng)地震沖擊下免遭破壞。

基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)旨在依靠限制而非抵抗地震作用來(lái)保護(hù)結(jié)構(gòu)不受地震的破壞。隔震限制地震作用力，因?yàn)槿嵝曰A(chǔ)使結(jié)構(gòu)與水平地面運(yùn)動(dòng)在很大程度上解除了耦聯(lián)關(guān)系，結(jié)構(gòu)的反應(yīng)加速度一般要比地面加速度小，阻尼裝置消耗了輸入地震動(dòng)的能量，使傳遞到隔震結(jié)構(gòu)上的作用力進(jìn)一步減小。

由于采用基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)地震作用減小，能夠確保安全而且抗震措施簡(jiǎn)單明了，對(duì)上部結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計(jì)的限制較小，震后只需簡(jiǎn)單修復(fù)甚至無(wú)需修復(fù)。

6 基礎(chǔ)隔震體系發(fā)展前景及存在問(wèn)題

對(duì)于基礎(chǔ)隔震體系來(lái)說(shuō)夾層橡膠墊應(yīng)用技術(shù)較成熟，基礎(chǔ)隔震理論與技術(shù)取得了顯著的進(jìn)步，基礎(chǔ)隔震體系的減震效果比較明顯，具有廣泛的應(yīng)用前景?，F(xiàn)階段隔震技術(shù)的研究趨勢(shì)：(1)隔震系統(tǒng)的研究開發(fā)向多樣化發(fā)展，即兩種或多種隔震方法組合運(yùn)用，力求揚(yáng)長(zhǎng)避短，這是以后防震研究的重點(diǎn)；(2)隔震系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)和耐久性的研究；(3)研制各種造價(jià)低、穩(wěn)定可靠、施工方便、低成本的隔震裝置系統(tǒng)，并推廣運(yùn)用；(4)隔震技術(shù)在高層中的運(yùn)用；(5)強(qiáng)震作用下的地震反應(yīng)和控制規(guī)律的研究；(6)多維地震控制技術(shù)的研究，研究能控制一維、二維、三維及扭轉(zhuǎn)震動(dòng)的技術(shù)。日本三維減震系統(tǒng)已研制成功，但我國(guó)還處在研究階段，基礎(chǔ)隔震技術(shù)還存在一些不足：(1)目前夾層橡膠隔震支座對(duì)一般的建筑物僅考慮水平隔震，對(duì)豎向地震幾乎沒(méi)有顯著的減震作用，對(duì)一些大跨度和長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)，豎向地震作用影響會(huì)很大。(2)由于地震荷載作用在建筑結(jié)構(gòu)上時(shí)并非水平的，而是以一定的入射角作用在結(jié)構(gòu)上，將會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的偏心扭矩作用，涉及這方面研究?jī)?nèi)容較少。(3)夾層橡膠隔震系統(tǒng)在豎向有很強(qiáng)的承載力，但抗拉能力較弱。當(dāng)一些高寬比較大、形狀不規(guī)則的隔震建筑物，在遭遇地震作用時(shí)，產(chǎn)生的傾覆、扭轉(zhuǎn)力矩會(huì)引起較大的柱子拉力，這種拉力將破壞隔震層，從而限制了隔震技術(shù)的應(yīng)用范圍。(4)由于沒(méi)有充分考慮隔震層的非線性，引起試驗(yàn)值與工程應(yīng)用的實(shí)際值誤差較大，對(duì)基礎(chǔ)隔震體系難以精確的數(shù)學(xué)模型比較困難，需要對(duì)于這種非線性復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行有效的分析。

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